KR100971890B1 - 저압용 차단기의 저임피던스 아크방전 검출장치 - Google Patents

Abstract

저압용 차단기의 저임피던스 아크방전 검출장치가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 저압용 차단기의 저임피던스 아크방전 검출장치는 공심형 전류센서 및 공극을 삽입한 CT의 군(群) 가운데 선택된 적어도 하나 이상의 아크전류 검출센서로 이루어져, 전원과 부하를 연결하는 회로의 도전선에서의 아크방전전류를 검출하는 아크전류 검출부; 저항(R), 캐패시터(C) 및 인덕터(L)로 이루어져, 상기 아크전류 검출부에서 검출된 아크방전 전류성분에 비례하여 신호를 증폭하는 신호변환부; 및 상기 신호변환부를 통해 증폭된 신호를 사이리스터의 게이트신호로 인가받으면, 트립신호로 인식하여 전원측과 연결된 릴레이를 동작시켜 전원을 차단하는 트립회로부를 포함하되, 상기 트립회로부는 1V 이상의 펄스 전압 및 1ms~10ms의 펄스폭으로 동작하는 것을 특징으로 한다.

저임피던스, 아크방전, 공심형 전류센서, 전류센서, 저압용 차단기

Description

저압용 차단기의 저임피던스 아크방전 검출장치{Low impedance arc discharge detection apparatus}

본 발명은 저압용 차단기의 저임피던스 아크방전 검출장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전기화재 방지기술의 핵심요소로, 전기배선계통의 영구적 또는 일시적 단락에 의한 아크 발생을 실시간으로 검출하여 차단기를 차단시킬 수 있는 저압용 차단기의 저임피던스 아크방전 검출장치에 관한 것이다.

저압용 전기기기의 사용이 증가함에 따라 전기화재도 급속히 증가하고 있다. 2005년도 전기재해 통계분석에 따르면, 국내에서 발생한 화재의 원인 중 전기화재가 전체의 30.9%로 가장 높게 나타났으며, 발화원인으로는 저임피던스 아크방전을 동반한 단락이 66.5%인 것으로 조사되었다[소방방재청]. 특히 전기화재는 오후 5시~7시 사이, 인구 밀집지역의 주거시설(단위세대)에서 가장 많이 발생하는 것으로 분석되었다.

이와 같은 저압옥내배선에서 전기화재를 예방할 목적으로 고속도 차단기 개 발, 누전 및 아크의 검출 등 여러 가지 기술들이 활발히 연구되고 있다. 저압옥내배선에서 전기화재의 대부분은 단락과 같은 저임피던스 아크방전이 차지하고 있다.

저임피던스 아크방전은 전원회로가 부하를 거치지 않고 단락되면서 발생하는 것으로 수 ms동안 정격전류의 수십 배 이상의 펄스형 아크방전전류가 흐르는 것을 뜻한다.

일반적으로 전류를 측정하는 수단으로는 변류기(current transformer; CT), 분류기(shunt) 및 공심형 전류센서 등이 있다.

여기서, 변류기(CT)는 교류의 전류에 비례하는 전압을 발생하는 비접촉식 전류 측정용 장치로써, 현재 전류측정에 있어 범용적으로 사용되고 있다.

또한, 분류기(shunt)는 전류를 측정하기 위해 회로중간에 낮은 저항을 넣고 저항양단에 발생하는 전압을 측정하여 전류값을 알아내는 것으로, 분류기(shunt) 저항 단의 전압을 측정하여 옴의 법칙(V = IR)을 이용해 전류값을 측정하는 것이다.

이때, 분류기(shunt) 저항값이 너무 높으면 전압강하가 많이 일어나 뒷단에 부하에 영향을 줄 수 있고, 반대로 너무 낮으면 측정이 힘들기 때문에 부하에 영향을 미치지 않을 정도에서 적당히 결정하는 것이 바람직하다.

한편, 공심형 전류센서는 균일하게 감은 코일의 한쪽 끝을 코일 내부로 관통시켜 제작되며, 전류에 의해 유기되는 유도전압이 적분회로를 통해 적분됨으로써 전류가 측정된다.

이러한 공심형 전류센서는 내부가 공심코어(Air core)로 구성되기 때문에 대 전류에도 포화되지 않고, 선형성을 유지하며, 범용의 CT와 동일한 크기로 수 십 A ~ 수 백 kA에 이르는 과도전류(Transient current) 측정이 가능하다는 장점이 있다.

현재 사용되고 있는 차단기는, 아크방전전류가 트립회로의 트립코일(Trip coil)에 인가됨에 따라 기자력으로 차단하는 방식을 적용하고 있다.

그러나 이러한 차단기는 선로의 임피던스에 의해 전류가 제한되어 차단기의 동작범위 이내에서 고장 전류가 흐를 경우, 저임피던스 아크방전이 발생하더라도 동작하지 않거나(부동작 구간 존재), 또는 차단 시간이 늘어난다는 문제점이 있다.

도 1과 도 2는 종래 아크방전 검출장치의 케이블 길이에 따른 차단시간 및 차단 특성을 나타낸 그래프이다.

도 1과 도 2를 참고하면, 차단기의 회로 차단에 있어서, 전원에 직렬로 삽입되는 전자석(트립 코일)이 전류에 비례하여 동작되기 때문에, 차단기로부터 사고지점까지의 거리에 따라 차단시간이 달라질 수 있으며, 거리가 길수록 차단되는 시간이 길어진다는 단점이 있다.

다시 말해, 저임피던스 아크발생 후 차단기의 차단 완료시점까지 10(ms) ~ 수 백 밀리초(ms)가 소요되며, 차단기와 아크발생 지점사이의 거리에 의존하고, 또한 거리가 수 십 미터(m)이상으로 길어질 경우에는 차단기를 차단시키지 못한다는 등의 단점 때문에, 저임피던스 아크방전으로 인해 발생하는 화재사고를 미연에 방지하지 못한다는 문제점이 있다.

따라서 옥내배선에서 발생하는 저임피던스 아크방전을 보다 빨리 검출하여 차단기를 초고속으로 차단시켜 아크를 억제할 수 있는 새로운 방안이 요구되고 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전기화재 예방기술의 핵심요소로 전압배선계통에서 영구적 또는 일시적 단락을 실시간으로 검출하여 차단기를 고속으로 차단시킬 수 있는 저압용 차단기의 저임피던스 아크방전 검출장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 저압용 차단기의 저임피던스 아크방전 검출장치는 공심형 전류센서 및 공극을 삽입한 CT의 군(群) 가운데 선택된 적어도 하나 이상의 아크전류 검출센서로 이루어져, 전원과 부하를 연결하는 회로의 도전선에서의 아크방전전류를 검출하는 아크전류 검출부; 저항(R), 캐패시터(C) 및 인덕터(L)로 이루어져, 상기 아크전류 검출부에서 검출된 아크방전 전류성분에 비례하여 신호를 증폭하는 신호변환부; 및 상기 신호변환부를 통해 증폭된 신호를 사이리스터의 게이트신호로 인가받으면, 트립신호로 인식하여 전원측과 연결된 릴레이를 동작시켜 전원을 차단하는 트립회로부를 포함하되, 상기 트립회로부는 1V 이상의 펄스 전압 및 1ms~10ms의 펄스폭으로 동작한다.

삭제

삭제

삭제

상기와 같은 본 발명의 저압용 차단기의 저임피던스 아크방전 검출장치에 따르면, 시스템 구성이 단순하고 저임피던스 아크발생시 초고속으로 차단기를 차단시켜 아크발생을 최소화하여 화재예방을 급격하게 감소시킬 수 있으며, 기존 차단기에서 트립시킬 수 없었던 사고전류 영역에서도 동작시킬 수 있다는 장점이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 저압용 차단기의 저임피던스 아크방전 검출장치는 전원과 부하를 연결하는 회로의 도전선에서의 아크방전전류를 검출하기 위한 아크전류 검출부; 아크전류 검출부에서 검출된 아크방전 전류성분에 비례하는 신호를 생성하기 위한 신호변환부; 및 신호변환부에서 생성된 신호가 입력되면, 회로에 공급되는 전원을 차단하는 트립회로부를 포함하되, 트립회로부는 1V 이상의 펄스 전 압 및 1ms~10ms의 펄스폭으로 동작하는 것이 바람직하다.

이때, 아크전류 검출부는 공심형 전류센서, 전류션트 및 공극을 삽입한 CT의 군(群) 가운데 선택된 적어도 하나 이상의 아크전류 검출센서로 이루어지는 것이 바람직할 수 있다.

또한, 신호변환부는 저항(R), 캐패시터(C) 및 인덕터(L)로 이루어지는 것이 좋을 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 저압용 차단기의 저임피던스 아크방전 검출장치에서 트립회로부는 사이리스터(Thyristor) 및 트립코일(Trip coil)로 구성되는 것이 바람직하다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있을 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것으로, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한 다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 저압용 차단기의 저임피던스 아크방전 검출장치의 구성을 나타낸 블록도이고, 도 4는 도 3에 도시된 저압용 차단기의 저임피던스 아크방전 검출장치를 나타낸 회로도이다.

도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 저압용 차단기의 저임피던스 아크방전 검출장치는 공심형 전류센서가 구비된 아크전류 검출부(110), 아크전류 검출 시 트립신호를 생성하는 신호변환부(120) 및 신호변환부에서 생성된 트립신호에 의해 전로를 차단하기 위한 트립회로부(130) 등을 포함한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 기존의 차단기의 보호장치에 점선으로 표시된 아크전류 검출부(110)와 신호변환부(120)의 역할을 수행하는 별도의 회로를 적용한 것이다.

이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 저압용 차단기의 저임피던스 아크방전 검출장치는, 기존에 누전감지회로(140)와 시험회로(150)에 의해서만 트립회로부(130)가 동작되었던 과전류에 대한 보호회로에 아크전류 검출부(110) 및 신호변환부(120)를 추가적으로 구성함으로써, 회로상의 단락이나 저임피던스 아크방전의 발생 여부를 고속 동작으로 검출할 수 있게 되었다.

여기서, 신호변환부(120)는 아크전류 검출부(110)에서 발생한 신호를 증폭시켜 트립회로부(130)의 SCR의 게이트에 인가하기 위한 회로이다. SCR이란, 전력 시스템에서 전류 및 전압의 제어에 사용되는 스위칭 소자 중 하나로써, 이와 관련된 자세한 설명은 후술되어 있다.

이때, 트립회로부(130)가 신호변환부(120)로부터 트립신호를 받게 되면, 전원측(100)과 연결되어 있는 스위치를 동작시킴으로써, 회로에 인가되는 전원공급을 차단시킬 수 있게 되는 것이다.

이러한 본 발명의 일 실시예에 다른 저압용 차단기의 저임피던스 아크방전 검출장치는 배선용 차단기 또는 누전 차단기 등과 같은 장치에 내장되는 형태로 적용되어 좋을 수 있음은 당업자에 있어 자명할 것이다.

도 4를 참고하면, 트립회로부(130)에는 트립코일이 구비될 수 있으며, 또한, 저항(R3), 다이오드 및 다수개의 캐패시터(C1, C2, C4)가 포함될 수 있다.

이때, 전파정류용 소자인 브릿지 다이오드(Bridge diode)가 적용되는 것이 좋을 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 저압용 차단기의 저임피던스 아크방전 검출장치에서 아크방전전류를 검출하기 위한 수단으로는 공심형 전류센서를 적용되는 것이 좋다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 저압용 차단기의 저임피던스 아크방전 검출장치는 아크전류 검출부(110)에 공심형 전류센서 대신 분류기(shunt) 또는 공극(gap)이 형성된 CT가 적용되는 것도 가능하다.

여기서 공심형 전류센서는 대전류의 측정이 가능하고, 1차 측과 분리되어 있어 절연성이 우수하며, 관통형 변류기와는 달리 내부 철심이 없는 공심코어(air- core) 형태로 이루어져, 철심포화에 따른 과전류 손상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

이러한 공심형 전류센서는 전원과 부하를 연결해주는 회로의 도전선상에 위치하여, 부하를 거치지 않고 단락되면서 발생하는 저임피던스 아크방전에 해당하는 전류 성분을 검출할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.

이때, 아크전류 검출부(110)는 수 밀리초(ms)동안 정격전류의 수~수 십 배 이상의 펄스형 아크방전전류가 흐르는 것을 저임피던스 아크방전전류로 정의할 수 있다.

아크전류 검출부(110)는 아크전류 검출센서의 임피던스 정합을 위한 캐패시터(C1)과 저항(R3), 그리고 아크전류 검출센서로부터 과전압이 인가될 경우 전류를 제한하기 위한 캐패시터(C2)와 저항(R2)를 구비하는 것이 바람직하다.

이때, C2와 R2는 RC 저역통과필터(Low-pass filter) 또는 적분기로 사용되는 것이 바람직하다.

도 4를 참조하면, 본 발명은 아크방전전류의 발생 시, 아크전류 검출부(110)에서 신호가 발생하면, 이에 비례하는 신호를 생성하는 신호변환부(120)를 포함한다.

이때, 신호변환부(120)에는 U1으로부터 전해진 아크전류 신호를 SCR 게이트에 전달하기 위한 다이오드(D2)와 저항(R4), 그리고 브릿지 다이오드로부터 인가된 전원을 분압하고, U1과 저항(R4)을 통하여 흐르는 전류의 공급원 역할을 수행하는 저항(R1, R3)과 캐패시터(C1)를 구비하는 것이 바람직하다.

여기서, U1은 아크전류 검출부(110)로부터 전해진 아크전류 신호를 정류시키기 위한 소자로써, 본 발명의 실시예에서는 양방향 포토 커플러를 적용하였으나, 이는 본 발명에 반드시 한정되는 것이 아니며, 브릿지 다이오드(Bridge diode)를 사용하여도 무방하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 저압용 차단기의 저임피던스 아크방전 검출장치의 전원부에는 전압에 따라 저항값이 비선형적으로 변화하는 배리스터(Varistor)를 구비하는 것이 바람직할 수 있다. 여기서 배리스터(RV1, RV2)는 저항체로써, 서지 및 과전압에 대하여 후단의 회로를 보호하기 위한 용도로 사용되는 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 아크전류 검출부(110)에서 아크방전전류가 검출되면 신호변환부(120)는 이에 비례하는 신호를 생성하고, 상기 생성된 신호는 트립회로부(130)로 인가되어 회로를 차단하게 된다. 이때, 트립회로부(130)에는 회로를 차단하기 위한 수단으로 트립코일이 구비되는 것이 좋다.

트립회로부(130)에 구비되는 트립코일은 코일에 전류가 흐르게 되면 자기장이 형성되는 원리를 이용하여, 철판으로 이루어진 스위치의 ON/OFF를 조절하는 장치라고 할 수 있다.

이러한 트립회로부(130)의 릴레이(Relay)에는 스위칭 소자인 사이리스터(Thyristor)가 연결되는 것이 바람직할 수 있다.

여기서 사이리스터(Thyristor)는 전력 시스템에서 전류 및 전압의 제어에 사 용되는 전력반도체 스위칭 소자로써, 보다 구체적으로는 3극 단방향 사이리스터인 에스씨알(SCR)과 3극 쌍방향 사이리스터인 트라이액(TRIAC)으로 구분될 수 있으나, 본 발명에서는 SCR, TRIAC 중 어느 것이 적용되어도 무방하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 저압용 차단기의 저임피던스 아크방전 검출장치는 전원(100)과 부하(200)를 연결하는 회로의 도전선상에 설치된 공심형 전류센서를 이용하여, 저임피던스 아크전류가 발생하면, 이는 아크전류 검출부(110)에서 검출되고, 아크전류 검출부(110)에서 발생한 신호를 신호변환부(120)에서 증폭시켜, SCR의 게이트에 인가하게 된다. 상기 신호변환부(120)에 의해 생성된 트립신호는 트립회로부(130)에 전달되어 계전기(Relay)의 구동에 의해 전로를 차단시킬 수 있게 되는 것이다.

도 5는 도 3에 도시된 저압용 차단기의 저임피던스 아크방전 검출장치의 차단특성을 나타낸 그래프이다.

도 5를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 저압용 차단기의 저임피던스 아크방전 검출장치에서 아크전류 검출부(110)는 공심형 전류센서로 이루어질 수 있는데, 이러한 공심형 전류센서로 이루어진 아크전류 검출부(110)의 경우에는, 60Hz의 전류성분을 100dB 이상 차단할 수 있다. 또한, 1kHz이상의 아크방전전류에서는 1000A까지 포화되는 것을 방지할 수 있다.

이러한 공심형 전류센서를 포함하는 본 발명은 저임피던스 아크방전의 발생 시, 트립회로부(130)의 차단기를 통한 초고속 차단이 가능하며, 보다 구체적으로는 1ms~5ms 이내에 차단시킴으로써, 아크의 발생을 최소화시킬 수 있다는 장점이 있다.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다.

도 1은 종래 아크방전 검출장치의 케이블 길이에 따른 차단시간을 나타낸 그래프이다.

도 2는 종래 아크방전 검출장치의 차단특성을 나타낸 그래프이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 저압용 차단기의 저임피던스 아크방전 검출장치의 구성을 나타낸 블록도이다.

도 4는 도 3에 도시된 저압용 차단기의 저임피던스 아크방전 검출장치를 나타낸 회로도이다.

도 5는 도 3에 도시된 저압용 차단기의 저임피던스 아크방전 검출장치의 차단특성을 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 전원 110 : 아크전류 검출부

120 : 신호변환부 130 : 트립회로부

140 : 누전감지회로 150 : 시험회로

200 : 부하

Claims (4)

1. 저전압배선 계통에서 전기화재의 주요원인인 영구적 또는 일시적 단락에 의한 저임피던스 아크방전을 실시간으로 검출하는 아크방전 검출장치에 있어서,

   공심형 전류센서 및 공극을 삽입한 CT의 군(群) 가운데 선택된 적어도 하나 이상의 아크전류 검출센서로 이루어져, 전원과 부하를 연결하는 회로의 도전선에서의 아크방전전류를 검출하는 아크전류 검출부;

   저항(R), 캐패시터(C) 및 인덕터(L)로 이루어져, 상기 아크전류 검출부에서 검출된 아크방전 전류성분에 비례하여 신호를 증폭하는 신호변환부; 및

   상기 신호변환부를 통해 증폭된 신호를 사이리스터의 게이트신호로 인가받으면, 트립신호로 인식하여 전원측과 연결된 릴레이를 동작시켜 전원을 차단하는 트립회로부를 포함하되,

   상기 트립회로부는 1V 이상의 펄스 전압 및 1ms~10ms의 펄스폭으로 동작하는 것을 특징으로 하는 저압용 차단기의 저임피던스 아크방전 검출장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제

Images